กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์

ขั้นตอนกระบวนการประกอบพีซีบี

ประสบความสําเร็จ การประกอบ PCB เป็นกระบวนการที่จัดการอย่างแม่นยำ เพื่อเปลี่ยนแผ่นวงจรพิมพ์เปล่า—ที่ผลิตตามแบบแปลนพีซีบีของคุณอย่างถูกต้อง—ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ฮาร์ดแวร์ที่สมบูรณ์และใช้งานได้จริง กระบวนการนี้ถือเป็นหัวใจของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่ขั้นตอนตรวจสอบเบื้องต้นกับไฟล์ออกแบบของคุณ ไปจนถึงการทดสอบคุณภาพของแผงที่ประกอบเสร็จเรียบร้อยแล้ว ต่อไปนี้คือภาพรวมโดยละเอียดในแต่ละขั้นตอนสำคัญของ กระบวนการไหลของการประกอบพีซีบี , โดยรวมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน Surface Mount Technology (SMT) และ เทคโนโลยีผ่านรู (THT) สภาพอากาศ

1. การออกแบบเพื่อการประกอบ (DFA) และการทบทวนก่อนการผลิต

ก่อนที่จะวางหรือบัดกรีชิ้นส่วนใดๆ แม้แต่ชิ้นเดียว ผู้ให้บริการประกอบมืออาชีพจะเริ่มต้นด้วย การตรวจสอบ DFA (Design for Assembly) ขั้นตอนการทบทวนนี้มีความสำคัญต่อการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) อย่างราบรื่นและปราศจากข้อผิดพลาด:

• ความถูกต้องของไฟล์: การตรวจสอบไฟล์ Gerber, ไฟล์ ODB++ และข้อมูลตำแหน่งกลาง (centroid)/ข้อมูลการจัดวางชิ้นส่วน
• การตรวจสอบรายการวัสดุ (BOM): ตรวจสอบให้มั่นใจว่า รายการวัสดุ (BOM) สอดคล้องกับรูปร่างและการวางผังของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
• การทบทวนหมายเหตุสำหรับการประกอบ: การตรวจสอบยืนยันบันทึกการประกอบ PCBA ให้ชัดเจน; ยืนยันความต้องการของลูกค้า
• การตรวจสอบมิติลายวงจร (Footprint Dimension Verification) ตรวจสอบระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนกับรู การแม่นยำของรูปแบบลายวงจร และขนาดพื้นที่บัดกรีที่เหมาะสมสำหรับองค์ประกอบทั้งแบบ SMT และ THT
• การจัดการความร้อนและการเว้นระยะจากขอบแผงวงจร ตรวจสอบการใช้ thermal reliefs บนระนาบทองแดงอย่างถูกต้อง และเขตเว้นวรรค (keepout zones) ที่เพียงพอใกล้ขอบแผง PCB — โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งสำคัญสำหรับกระบวนการอัตโนมัติ
• การตรวจสอบความสอดคล้อง ยืนยันว่าการออกแบบเป็นไปตามมาตรฐาน IPC-A-600 และ IPC-6012 สำหรับการผลิตและการตรวจสอบ

2. กระบวนการประกอบ SMT (Surface Mount Technology)

การประกอบ SMT เป็นส่วนที่เร็วที่สุดและมีระบบอัตโนมัติมากที่สุดของการประกอบ PCB ซึ่งทำให้สามารถวางอุปกรณ์แบบผิวสัมผัส (SMDs) ได้อย่างหนาแน่นและมีต้นทุนต่ำ

A. การพิมพ์และตรวจสอบพาสต้าบัดกรี

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการทากาวบัดกรีอย่างแม่นยำ สารละลายตะกั่ว —ซึ่งเป็นส่วนผสมของผงตะกั่วบัดกรีละเอียดพิเศษและฟลักซ์—ลงบนแผ่นทองแดงของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

• การพิมพ์ผ่านแม่แบบ: ใช้แม่แบบสแตนเลสในการทากาวบัดกรีเฉพาะบริเวณที่แผ่นทองแดงสำหรับติดตั้งชิ้นส่วนผิวเรียบ (SMD) โผล่ออกมา
• การตรวจสอบกาวบัดกรี: เครื่องจักรอัตโนมัติตรวจสอบปริมาณและการจัดวางกาวบัดกรีให้สมบูรณ์แบบ ซึ่งมีความสำคัญต่อการป้องกันการเชื่อมต่อที่ไม่เพียงพอหรือการลัดวงจร

ข. การติดตั้งชิ้นส่วนด้วยเครื่องจักรอัตโนมัติ

เมื่อกาวบัดกรีถูกทากำหนดตำแหน่งไว้แล้ว เครื่องจักรขั้นสูงจะ เครื่องปิกแอนด์เพลส จัดวางชิป SMD, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, ไอซี (รวมถึง BGAs และ QFNs), และอุปกรณ์อื่นๆ บนบอร์ดอย่างแม่นยำ

• สามารถติดตั้ง หลายหมื่นชิ้นส่วนต่อชั่วโมง .
• การจัดวางอย่างแม่นยำช่วยเพิ่มอัตราผลผลิตและความสมบูรณ์ของสัญญาณ
• ข้อมูลมาจาก ไฟล์พิกัดเครื่องวางชิ้นส่วน (pick-and-place files) (ไฟล์เซ็นทรอยด์) ที่สร้างขึ้นระหว่างการออกแบบแผงวงจรพีซีบี

C. การบัดกรีด้วยความร้อนแบบรีฟโลว์

หลังจากนั้น บอร์ดที่ติดตั้งชิ้นส่วนแล้วจะถูกส่งผ่าน เตาอบความร้อนแบบไหล :

• หลายโซนความร้อน: ให้ความร้อนอย่างค่อยเป็นค่อยไปเพื่อทำให้อนุภาคตะกั่วหลอมละลายและเกิดเป็นข้อต่อเชื่อมทางไฟฟ้าและกลไกที่แข็งแรง โดยยังคงปกป้องชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อน
• บรรยากาศไนโตรเจน: การประกอบที่มีความน่าเชื่อถือสูงมักใช้ก๊าซไนโตรเจนเฉื่อยเพื่อให้ได้ข้อต่อตะกั่วบัดกรีที่สะอาดและทนทานมากยิ่งขึ้น
• การปรับแต่งโปรไฟล์: โปรไฟล์อุณหภูมิที่ควบคุมได้ช่วยป้องกันข้อต่อเย็น การล้มตัวของชิ้นส่วน (tombstoning) หรือการบิดงอของแผ่นวงจรพิมพ์จากความร้อน

D. การตรวจสอบด้วยแสงแบบอัตโนมัติ (AOI)

ระบบ AOI ถ่ายภาพความละเอียดสูงของบอร์ดหลังกระบวนการรีฟโลว์ เพื่อตรวจสอบข้อบกพร่อง เช่น:

• สะพานตะกั่วและจุดขาด
• การจัดตำแหน่งชิ้นส่วนผิดพลาด
• ชิ้นส่วนผิดหรือหายไป
• ปัญหาปริมาณพาสต์ตะกั่ว

การตรวจสอบแบบอัตโนมัติช่วยเพิ่มอัตราผลผลิตได้อย่างมาก โดยการตรวจจับปัญหาแต่เนิ่นๆ ทำให้สามารถแก้ไขได้อย่างรวดเร็ว

E. การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์เรย์ (สำหรับขั้วต่อแบบระยะห่างแคบและ BGA)

การตรวจฉายรังสี มีความสำคัญต่อ BGA (Ball Grid Array) , micro-BGA และชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ข้อต่อการบัดกรีถูกซ่อนไว้ กระบวนการนี้สามารถเปิดเผย:

• ลูกบัดกรีเย็นหรือหายไป
• ช่องว่างภายใน
• ลัดวงจรภายใน
• ข้อบกพร่องในชิ้นส่วนประกอบแบบหลายชั้น

3. กระบวนการประกอบแบบผ่านรู (THT)

แม้ว่า SMT จะเป็นที่นิยม แต่บอร์ดจำนวนมากยังคงรวมถึง ส่วนประกอบแบบผ่านรู สำหรับขั้วต่อ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ หรือองค์ประกอบที่มีแรงเครียดเชิงกลสูง

ก. การเสียบ

• การเสียบด้วยมือ: สำหรับชิ้นส่วนจำนวนน้อยหรือชิ้นส่วนพิเศษ ผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะจะเสียบชิ้นส่วนด้วยมือ
• การเสียบแบบอัตโนมัติ: ใช้สำหรับการผลิตจำนวนมากของชิ้นส่วนที่ต่อโดยวิธีเวฟโซลเดอร์

ข. การบัดกรี

• การบัดกรีแบบคลื่น: ด้านล่างทั้งหมดของบอร์ด THT จะถูกพาดผ่านคลื่นของตะกั่วหลอมเหลว เพื่อสร้างข้อต่ออย่างรวดเร็วและพร้อมกัน
• การบัดกรีแบบเลือกเฉพาะจุด: สำหรับชิ้นส่วนผสม (SMT+THT) หัวฉีดหุ่นยนต์จะบัดกรีเฉพาะขาของรูที่ต้องการเท่านั้น
• การบัดกรีด้วยมือ: ใช้สำหรับงานแก้ไข งานละเอียด หรือต้นแบบที่มีปริมาณต่ำ

C. การทำความสะอาด

หลังจากการบัดกรี แผงวงจรจะได้รับการล้างเพื่อกำจัด คราบฟลักซ์ —เว้นแต่ว่า ฟลักซ์ชนิดไม่ต้องล้าง ถูกระบุไว้ ในกรณีนี้สามารถทิ้งคราบไว้ได้โดยไม่เป็นอันตราย

D. การบัดกรีส่วนประกอบที่ไม่สามารถล้างได้

สำหรับชนิดของส่วนประกอบที่ไวต่อการล้างหรือไม่สามารถล้างได้ จะใช้เทคนิคการบัดกรีและฟลักซ์พิเศษที่ไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดเพิ่มเติม

4. การตรวจสอบและทดสอบสุดท้าย

• การตรวจเห็น ผู้ตรวจสอบที่ผ่านการฝึกอบรมจะตรวจสอบหาข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ การเชื่อมบัดกรีที่ไม่ดี และความเสียหายทางกล
• AOI และรังสีเอกซ์ (ทำซ้ำ): มั่นใจในความสม่ำเสมอตลอดการผลิต
• การทดสอบแบบฟลายอิงโพรบ (FPT): โพรบทดสอบอัตโนมัติยืนยันความต่อเนื่องและวัดพารามิเตอร์ไฟฟ้า เช่น ความต้านทาน และความจุ เหมาะสำหรับต้นแบบและปริมาณการผลิตต่ำ
• การทดสอบวงจรขณะทำงาน (ICT) และการทดสอบการทำงาน: สำหรับการผลิตเป็นชุดและการผลิตจำนวนมาก การทดสอบการทำงานและ ICT (เมื่ออุปกรณ์ทดสอบถูกโปรแกรมให้ตรวจสอบแผ่นสัมผัสเฉพาะ) เพื่อยืนยันการเดินเส้นสัญญาณ ค่าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

5. การเคลือบผิวแบบคอนฟอร์มัลและขั้นตอนสุดท้าย

แผงวงจรที่ предназยงสำหรับใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือมีความชื้นสูง มักจะผ่านกระบวนการ การเคลือบผิวแบบคอนฟอร์มัล :

• ชั้นป้องกัน: ชั้นบางๆ ของพอลิเมอร์ (แอคริลิก, ซิลิโคน, ยูรีเทน) ที่ปกป้องชิ้นส่วนจากการควบแน่น, ละอองเกลือ, ฝุ่น และไอระเหยที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อน
• แบบเลือกจุด หรือ ทั้งหมด: สามารถทำการเคลือบได้ทั้งแผงวงจรทั้งหมด หรือเฉพาะบริเวณที่ต้องการเท่านั้น ขึ้นอยู่กับความต้องการของผลิตภัณฑ์

6. การบรรจุหีบห่อ การติดฉลาก และการจัดส่ง

แผงวงจรที่ผ่านการทดสอบและเคลือบเรียบร้อยแล้ว จะถูกติดฉลาก หมายเลขลำดับ จัดชุดอุปกรณ์ และบรรจุหีบห่ออย่างระมัดระวังตามประเภทและข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ — พร้อมสำหรับการติดตั้ง การนำไปใช้งานในขนาดใหญ่ หรือการจัดส่งตรงไปยังผู้ใช้งานปลายทาง

สรุป: สมัยใหม่ กระบวนการประกอบพีซีบี เป็นกระบวนการที่แม่นยำและมีหลายขั้นตอน เริ่มตั้งแต่การตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลและการตรวจสอบการออกแบบเพื่อการผลิตและการประกอบ ผ่าน การประกอบ SMT และ THT , การตรวจสอบแบบอัตโนมัติและแบบด้วยมือ, จนถึงการทดสอบไฟฟ้าขั้นสูง, การเคลือบผิว, และการจัดส่ง ส่งมอบทุกขั้นตอนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิตสำหรับ PCBA ทุกตัว—ไม่ว่าคุณจะผลิตต้นแบบ PCB อย่างรวดเร็ว หรือขยายสู่การผลิตจำนวนมาก

กระบวนการประกอบแบบ Surface Mount

การประกอบแบบ Surface Mount (SMA) เป็นกระบวนการหลักของ PCBA สำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์ ยานยนต์ การควบคุมอุตสาหกรรม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โดยใช้อุปกรณ์แบบ surface mount (SMDs) ที่ติดตั้งโดยตรงบนแผ่นทองแดงของ PCB ซึ่งช่วยให้สามารถทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง มีความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูง และรองรับการผลิตจำนวนมากแบบอัตโนมัติ พร้อมเป็นไปตามมาตรฐาน IPC-A-610 และ IPC-J-STD-001

ลำดับขั้นตอนการผลิต Printed Circuit Board Assembly:

การเตรียมงานก่อนการผลิตและการปรับสภาพ PCB: ตรวจสอบการออกแบบ CAD เพื่อความเข้ากันได้กับ SMD; ตรวจสอบแผ่น PCB ที่รับเข้ามา (ไม่บิดงอ พื้นผิวสะอาด) และ SMD (ของแท้ ไม่เสียหาย); อบแผ่น PCB ชนิด FR4 ที่มีค่า Tg สูงที่อุณหภูมิ 125°C เป็นเวลา 4–8 ชั่วโมง และเก็บ SMD ที่ไวต่อความชื้อในตู้แห้ง เพื่อป้องกันข้อบกพร่องในการบัดกรี
การพิมพ์พาสต์บัดกรี: ใช้แม่พิมพ์ในการวางพาสต์บัดกรีบนพื้นผิว; ควบคุมความหนาของแม่พิมพ์ (0.12–0.15 มม.), แรงดันใบมีด (15–25N) และความเร็ว (20–50 มม./วินาที); ใช้ระบบ SPI 3D สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กเพื่อตรวจสอบปริมาณและรูปร่างของพาสต์บัดกรี
การวางชิ้นส่วน SMD: เครื่องจักรแบบ pick-and-place ความเร็วสูงที่ติดตั้งกล้อง CCD จะวางชิ้นส่วนด้วยความแม่นยำ ±0.03 มม. โดยใช้ความเร็วสูงสำหรับชิ้นส่วนแบบพาสซีฟ (สูงสุด 100,000 ชิ้น/ชั่วโมง) และการวางอย่างแม่นยำสำหรับ IC/เซ็นเซอร์; ใช้การป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ (ESD) และการสอบเทียบแรงกดสำหรับชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน เช่น ใช้ในยานยนต์หรือทางการแพทย์
การบัดกรีแบบรีฟลูว์: ตะกั่วบัดกรี SAC305 ที่เป็นไปตามมาตรฐาน RoHS ผ่านกระบวนการเตาอบ 4 ขั้นตอน: ให้ความร้อนล่วงหน้า (150–180°C), ทำให้อุณหภูมิสม่ำเสมอ (180–200°C, 60–90 วินาที), การไหลหลอม (อุณหภูมิสูงสุด 245–260°C, 10–20 วินาที), และการเย็นตัว (2–4°C/วินาที) ปรับอัตราการเย็นตัวสำหรับแผ่น PCB ชนิด FR4 ที่มีค่า Tg สูง เพื่อลดความเครียดจากความร้อน
การตรวจสอบหลังการรีฟโลว์ (PRI): AOI ตรวจจับสะพานเชื่อม สันเขาเย็น และปรากฏการณ์ทอมบ์สโตน; X-ray ตรวจสอบข้อต่อ BGA/CSP ที่ซ่อนอยู่เพื่อหาช่องว่าง การตรวจสอบ 100% สำหรับแผ่น PCB ทางการแพทย์/ยานยนต์ และตรวจสอบแบบสุ่มสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค
งานแก้ไขและตกแต่งเพิ่มเติม: แก้ไขข้อบกพร่องด้วยหัวแร้ง/สถานีเป่าลมร้อน; เปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียหาย; ทำความสะอาดคราบฟลักซ์ด้วยแอลกอฮอล์ไอโซโพรพิล; จัดทำเอกสารบันทึกงานแก้ไขสำหรับแผ่น PCB มูลค่าสูง
การเคลือบป้องกัน (ตามต้องการ): ทำการเคลือบด้วยสารอะคริลิก/ซิลิโคน/ยูรีเทน โดยการพ่นหรือจุ่ม เพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (ห้องเครื่องยนต์ยานยนต์ พื้นโรงงานอุตสาหกรรม) ใช้สารเคลือบที่เข้ากันได้กับร่างกายมนุษย์สำหรับแผ่น PCB ทางการแพทย์
การทดสอบการทำงานขั้นสุดท้ายและการรับรองคุณภาพ: ดำเนินการทดสอบการใช้งาน (ผลลัพธ์จากเซนเซอร์ โมดูลการสื่อสาร ความสมบูรณ์ของสัญญาณ); ตรวจสอบขนาดและตรวจสอบการต่อเนื่อง; บรรจุแผ่น PCB ที่ผ่านเกณฑ์ในถุงป้องกันไฟฟ้าสถิตย์/ถุงกันความชื้น